人教版选修4 第4章第4节 金属的电化学腐蚀与防护 学案 (3).doc

第4节 金属的电化学腐蚀与防护目标1.了解金属电化学腐蚀的原理，体会金属电化学腐蚀对生产、生活和社会的危害性，培养观察、思考和探究实际问题的能力。2.了解日常生产中通常采取的金属防护的措施，了解金属防腐的积极意义，结合日常生活和生产的实际，培养对生活的热爱和兴趣。3.区别比较牺牲阳极的阴极保护法和外加电源的阴极保护法。思考轮船、铁闸门等大型金属设施采用的防护措施原理。体会基本理论在实践上是如何体现的。培养解决问题的能力。知识巧学升华一、金属的腐蚀1.定义：金属的腐蚀是指金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而损耗的现象。2.分类：根据发生腐蚀的情况不同，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。3.化学腐蚀：金属跟接触到的干燥气体或非电解质液体等直接发生化学反应而引起的腐蚀。4.电化学腐蚀不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫电化学腐蚀。（1）电化学腐蚀的原理电化学腐蚀，实际上是由大量的微小的电池构成的微电池群自发放电的结果。是金属与其自身中的杂质(如fe中的c杂质)构成的微电池。当它们的表面与溶液接触时，就会发生原电池反应，导致金属被氧化而腐蚀。（2）析氢腐蚀在金属表面的水膜呈酸性时，电解质溶液中的h+在阴极得到电子生成氢气，发生析氢腐蚀。如钢铁的析氢腐蚀负极：fe-2e-fe2+正极：2h+2e-h2其他反应：fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)32fe(oh)3fe2o3+3h2o（3）吸氧腐蚀金属表面水膜酸性较弱或呈中性时，溶解在溶液中的氧气与水结合，生成oh-，消耗了氧气从而使得溶液不断吸收空气中的氧气一般发生吸氧腐蚀。如钢铁的吸氧腐蚀负极：2fe-4e-2fe2+正极：o2+2h2o+4e-4oh-其他反应：fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)32fe(oh)3fe2o3+3h2o要点提示 无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，阳极上都是铁失去电子被氧化变成亚铁离子。发生电化学腐蚀，水膜的碱性均增强。（4）析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正极反应(o2)o2+2h2o+4e-4oh-2h+2e-h2负极反应(fe)fe-2e-fe2+fe-2e-fe2+其他反应fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+2h2o+o24fe(oh)3失去部分水转化为铁锈5.化学腐蚀和电化学腐蚀类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属接触到腐蚀性物质，如氯气等不纯的金属或合金接触到电解质溶液有无电流产生无电流产生有微弱电流产生本质金属失去电子被氧化较活泼金属失去电子被氧化联系化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生，电化学腐蚀更为普遍二、金属的防护1.牺性阳极的阴极保护法将被保护的金属与更活泼的金属连接，构成原电池。使活泼金属作阳极被氧化，被保护的金属作阴极。例如在海上航行的轮船船体常镶上锌块，在海水中形成原电池，以保护船体。负极：zn-2ezn2+正极：2h+2eh2要点提示 负极发生氧化反应，有时也叫做阳极，正极发生还原反应，有时也叫做阴极。2.外加电流的阴极电保护法利用外加直流电，负极接在被保护的金属上成为阴极，正极接其他金属。一些装酸性溶液的管道常用这种方法。3.非电化学防护法采用镀层、喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质（电解质溶液和氧气）隔离，防止金属被腐蚀。（1）非金属保护层使用某些非金属材料如油漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、沥青，以及高分子材料涂在被保护的金属表面上构成一个保护层，使金属与腐蚀介质隔开，起保护作用。（2）金属保护层在被保护的金属上镀另一种金属或合金。例如在黑色金属上可镀锌、锡、铜、铬、镍等。在铜制品上可镀镍、银、金等。金属的保护层分为两种，即阳极保护层和阴极保护层。前一种是镀层金属比被保护的金属活泼。例如将锌镀于铁上(锌为阳极、铁为阴极)，后者是镀层金属不如被保护的金属活泼，如把锡镀在铁上(此时锡为阴极、铁为阳极)。当保护层完整时，上述两类保护层没有原则性区别。但当保护层受到损坏而变得不完整时，情况就不同了。阴极保护层失去了保护作用，它和被保护的金属形成了原电池，由于被保护的金属是阳极，因为阳极要氧化，所以保护层的存在反而加速了腐蚀。但阳极保护层则不然，即使保护层被破坏，由于被保护的金属是阴极，所以受腐蚀的是保护层本身，而被保护的金属则不受腐蚀。（3）金属的钝化铁易溶于稀硝酸，但不溶于浓硝酸。把铁预先放在浓硝酸中浸过后，即使再把它放在稀硝酸中，其腐蚀速率也比原来未处理前有显著的下降甚至不溶解。这种现象叫做化学钝化。问题思路探究问题1 假如有人发明了一种既便宜，又简单的方法，生产出一种永不生锈的钢铁。显然这一发明会带来很大的益处，从科学、技术、社会发展多角度出发，你认为它也可能带来坏处吗？ 导思:任何事物都具有两面性。根据永不生锈的钢铁的成本低廉且不生锈，分析它的广泛的用途，从大量使用的情况下分析废弃物对环境造成的破坏。探究:事物都具有两面性。便宜而简单的永不生锈的钢铁，必然造成大面积的推广和应用，也必然导致永不生锈的钢铁废品大量污染环境。由于永不生锈的钢铁难以生锈，钢铁废弃物的处理非常困难，环境污染不容乐观。问题2 试管中的铁钉如果在酸性溶液或在食盐溶液中的腐蚀的现象有何不同?导思:根据介质的不同，分析在不同的介质中，铁腐蚀时作氧化剂的分别是哪种物质。探究:比较两种介质的区别：酸性介质中存在大量h+，与金属铁发生电化学反应产生氢气，有气泡产生，液面下降；食盐介质为中性，则不能与金属铁发生电化学腐蚀产生氢气，但溶解在食盐水中的氧气可以得到铁失去的电子，加快腐蚀，吸收氧气，液面上升。问题3 电化学腐蚀形成的条件和特征是什么？导思:电化学腐蚀就是依据原电池原理，根据原电池原理结合金属的活泼性，分析构成原电池的基本要素。探究:(1)电化学腐蚀形成的条件：不纯金属或合金、电解质溶液环境。(2)特征：原电池反应，并伴有电流的产生。问题4 金属铝为什么不易腐蚀？导思:分析比较金属铝与其他金属如铁等的本质区别，特别是基本结构的区别。探究:常温下，金属铝可与空气反应，生成一层致密的氧化铝保护膜，阻碍了金属铝继续被腐蚀；而金属铁中含有单质碳等杂质，在潮湿的空气中反应生成铁锈，铁锈很疏松，不能隔绝空气继续与内部的单质铁反应，因此无法有效保护金属铁不被腐蚀。二者的本质区别在于氧化物保护膜是否致密，能否有效保护内部金属。典题热题新题一、重点：金属电化学腐蚀的原理例1 取6根铁钉，6支干净的试管及其他材料，准备如下图试管（1）放入一根铁钉，再注入蒸馏水，使铁钉和空气及水接触；试管（2）的试管底放入硅胶（是一种干燥剂），再放入铁钉，用棉花团堵住试管口，使铁钉和干燥空气接触。试管（3）先放入一根铁钉，趁热倒入煮沸的蒸馏水（赶出原先溶解在蒸馏水中的空气）浸没铁钉，再加上一层植物油，使铁钉不能跟空气接触。试管（4）中放入铁钉注入食盐水，使铁钉和空气及食盐水接触。试管（5）放入相连的铁钉和锌片，注入自来水，浸没铁钉和锌片。试管（6）放入相连的铁钉和铜丝，注入自来水浸没铁钉和铜丝。把6支试管放在试管架上，几天后观察铁钉被腐蚀的情况。其中 试管内的铁钉未被腐蚀。从铁钉被腐蚀的情况可知引起和促进铁钉腐蚀的条件是 。解析：此题实际是利用原电池形成的条件及原理解释金属腐蚀速率问题。由于（2）（3）两个试管不具备构成原电池的条件，不能发生电化学腐蚀，所以暂未被腐蚀。而试管（5）尽管具备构成原电池的条件，但zn比铁活泼，在原电池中作负极，使铁变成铁离子的反应难以发生，所以铁也暂未被腐蚀。引起和促进铁钉被腐蚀的条件是：水、空气、电解质溶液和不活泼金属杂质的存在。答案：（2）（3）（5）水、空气、电解质溶液、不活泼金属杂质的存在深化升华 在实验设计的过程中，如果有多种因素影响实验时，要确定某一条件对实验的影响，我们通常采用设置对比实验组，根据对比实验组，分析比较实验结果与外界环境的关系，从而确定哪些条件的改变影响金属的腐蚀。二、难点：金属的防护例2 为防止海轮船体的腐蚀，应在船体水线以下位置嵌上一定数量的（）a.铜块b.铅块c.锌块d.钠块解析：海轮船体由钢板焊接而成，为防止浸埋在海水（电解质溶液）中的船体（fe）的腐蚀，应选用活泼性比铁强，而又不会与水直接反应的金属zn嵌入船体，这样紧密接触的两种金属接触海水（电解质溶液）时，将发生原电池反应，较活泼的zn作为原电池的负极，zn失去电子被氧化，zn失去的电子流向fe，从而抑制fe失去电子被氧化。定期更换嵌入的zn块，就起到了防止船体被腐蚀的目的。答案：c典例变式：下列说法正确的是（）a.钢铁因含杂质而容易发生电化学腐蚀，所以合金都不耐腐蚀b.原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因，故不能用来减缓金属的腐蚀c.钢铁电化学腐蚀的两种类型主要区别在于水膜的 ph不同，引起的正极反应不同d.无论哪种类型的腐蚀，其实质都是金属被氧化解析：金属的腐蚀就是金属失电子而被氧化的过程，因此d是正确的。依据电化学腐蚀中析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理可知，c也是正确的。原电池反应既可以加快金属的腐蚀，也可用以防止金属的腐蚀。例如不锈钢，镀锌铁等中的fe均不易腐蚀，所以a、b是不正确的。答案：cd例3 生活中常常有这样的现象：一件普通的铁器，如不精心保管，便会生锈；若不引起注意，锈斑蔓延开来，就会吞噬整个铁器使之变成废物。人们称这种现象为“锈吃铁”。请用相关学科知识解释“锈吃铁”这一自然现象。解析：铁在干燥的空气中不易生锈，但在潮湿的空气中发生了电化学腐蚀，腐蚀后生成的铁锈是一种海绵状的物质，具有保湿的作用，电解质水的存在促使铁器电化学腐蚀持续进行，直到铁器全部锈腐。答案：首先是原电池的构成，铁器中铁作负极，其中杂质碳作正极，铁器表面的水膜构成电解液。(1)析氢腐蚀（负极）：fe-2e-fe2+,正极反应：2h+2e-h2。析氢腐蚀后ph升高，从而发生吸氧腐蚀。(2)吸氧腐蚀: fe-2e-fe2+,由于溶液中oh-浓度增大，生成fe(oh)2，它很易被空气中的氧气所氧化：4fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)3，fe(oh)3部分失水后生成海绵状物质fe2o3xh2o，它具有保湿作用，水膜的存在加速了铁器的腐蚀。深化升华 分析和观察问题的关键在于从现象看本质。本题的关键是铁锈对金属铁的腐蚀由慢到快。不仅需要根据日常生活对铁生锈的观察，还要结合题目所给的信息中给出的“若不引起注意，锈斑蔓延开来，就会吞噬整个铁器使之变成废物”这一信息，结合铁锈疏松多孔，具有很强的保湿作用，来考虑腐蚀会越来越快的原因。三、疑点：金属腐蚀的电极反应方程式的书写例4 钢铁在很弱的酸性或中性条件下发生电化学腐蚀时，正极的反应式为（）a.fe-2e-fe2+b.2h+2e-h2c.2h2o+o2+4e-4oh-d.fe-3e-fe3+解析：钢铁中含有多种杂质，在考虑钢铁的电化学腐蚀时，为了简化问题，主要讨论碳杂质问题。也就是以fe为负极，c为正极的原电池反应。在中性条件或弱酸性条件下发生的是吸氧腐蚀。原电池的正极为c，发生的是还原反应，即得电子反应，故a、d选项应排除。在b、c选项中，b项是析氢腐蚀的电极反应式。答案：c典例变式：如果上述题目中环境条件改为酸性环境。则答案应该为（）解析：在酸性环境中，钢铁的腐蚀为析氢腐蚀。正极反应应该为：2h+2e-h2。答案：b例5如右图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天后观察：(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于 腐蚀。(2)若试管内液面上升，则原溶液是 性，发生 腐蚀，电极反应：负极：，正极：。(3)若试管内液面下降，则原溶液呈 性，发生 腐蚀，电极反应：负极：，正极：。解析：根据原电池的构成条件，两种不同的材料在有电解质溶液时，若形成闭合回路，即可构成原电池，此时发生的腐蚀属于电化学腐蚀。根据金属腐蚀的条件、原理及结果可知：试管内液面上升，说明试管内压强减小，气体被吸收所致，是铁钉吸氧腐蚀的结果，据此写出电极反应；试管内液面下降，说明试管内气体压强变大，试管内产生了新气体所致，是铁钉的析氢腐蚀的结果，据此写出电极反应。答案：(1)电化学(2)弱酸性或中吸氧2fe-4e-2fe2+o2+4e-+2h2o4oh-(3)较强的酸析氢fe-2e-fe2+2h+2e-h2深化升华 本题应根据铁钉被腐蚀所处的环境分析被腐蚀的原因和类型，然后确定电极反应。考查的知识点有：原电池构成条件、原电池电极反应、金属的腐蚀及类型。例6 如下图所示，各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时，由快到慢的顺序是（）a.4213b.2134c.4231d.3241解析：金属的腐蚀，从本质上讲是组成化学电池发生氧化还原反应的结果。在原电池中，活泼金属为负极，该金属被氧化，不活泼金属便被保护起来，其被腐蚀的速度大大减小，所以装置3中的铁被腐蚀的速度比1中的慢；反之，当铁与比它不活泼的金属，如sn、cu等连接起来，则其被腐蚀的速度增大，所以在容器2中的铁比容器1中的铁腐蚀得快。容器